[논문 리뷰] Extended Lyman-alpha emission from a high-z DLA at z=3.115

Nobunari Kashikawa, Toru Misawa외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 70인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 스바루 망원경을 이용한 협대역 영상 및 스펙트로스코피를 통해 적색편이 z=3.115인 고적색편이를 가진 고조도 흡수체(DLA)에서 연장된 라이만-알파 방출(L_Lyα = 1.07×10⁴² erg s⁻¹)을 검출하였다. 이는 28 h₇₀⁻¹ kpc 떨어진 활성은하핵(QSO)으로부터의 투시각적 거리에서 관측된 것으로, 방출은 공간적으로 비대칭이고 적색편이되어 있으며, 덩어리지고 유출하는 은하주변매질(CGM)을 가진 DLA의 은하계 주변에서 기인하는 것으로 해석된다. 이는 초기 은하에서의 별 형성(SFR ≈ 0.97 M⊙ yr⁻¹)과 복잡한 복사전달 과정에 대한 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We searched for star formation activity associated with high-z Damped Lyman-alpha systems (DLAs) with Subaru telescope. We used a set of narrow-band (NB) filters whose central wavelengths correspond to the redshifted Lyman-alpha emission lines of targeted DLA absorbers at 3

연구 동기 및 목표

• 고조도 흡수체(DLA)와 연관된 별 형성 활동을 탐지하고자 하였다. DLA는 초기 우주에서 중성수소의 주요 저축소스이다.
• 고조도 DLA의 적색편이된 라이만-알파 방출선에 맞춘 협대역 필터를 사용하여, 희미한 DLA 은하 대응체를 탐지하는 데 도전하는 문제를 해결하고자 하였다.
• 특히 공간적 비대칭성과 운동학적 성질을 고려하여, DLA 내 연장된 라이만-알파 방출의 물리적 기원을 조사하고자 하였다. 이는 은하 형성과 피드백 과정을 제약하는 데 기여한다.
• 라이만-알파 광도와 복사전달 모델링을 통해 DLA 주변 은하계의 별 형성률(SFR)과 허브질량을 결정하고자 하였다.
• 다양한 파장대에서의 진단을 통해 DLA와 라이만-브레이크 은하(LBGs) 및 라이만-알파 방출체(LAEs)와 같은 고조도 대표군 간의 연결 고리를 탐색하고자 하였다.

제안 방법

• 3 < z < 4.5 범위의 목표 DLA의 적색편이된 라이만-알파 방출선에 맞춘 협대역 필터를 사용하여 스바루 망원경의 FOCAS 기구를 이용한 깊은 협대역 영상 촬영을 수행하였다.
• 활성은하핵 SDSS J031036.84+005521.7에서 3.80 arcsec(≈28 h₇₀⁻¹ kpc)의 투시각적 거리에 NB과잉 객체를 식별하였다.
• 라이만-알파 방출의 적색편이와 프로파일을 확인하기 위해 후속 스펙트로스코피를 수행하였으며, 이는 z_abs = 3.1150에서 관측된 DLA 흡수선(log N(H i) = 20.05)과 정확히 일치하였다.
• 표준 보정식을 사용하여 라이만-알파 광도(L_Lyα = 1.07×10⁴² erg s⁻¹)를 계산하고, 별 형성률(SFR ≈ 0.97 M⊙ yr⁻¹)을 추정하였다.
• 라이만-알파 방출의 공간적 비대칭성을 설명하기 위해, 덩어리지고 유출하는 은하주변매질(CGM)을 가진 DLA 주변 은하계를 사용하여 표면 밝기 프로파일을 모델링하였다.
• 복사전달 시뮬레이션과 허브질량 스케일링 관계(Faucher-Giguère et al. 2010)를 사용하여 주변 허브질량(~2.2×10¹⁰ M⊙)을 추정하였으며, 이는 별 형성에 의한 라이만-알파 방출과 일치하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저면 밝기와 큰 영향 거리에도 불구하고, z ≈ 3.115에서 고조도 DLA로부터 연장된 라이만-알파 방출을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 이 DLA 시스템에서 관측된 공간적으로 연장되고 비대칭적인 라이만-알파 방출 프로파일의 기원은 무엇인가?
• RQ3 DLA 주변 은하계의 별 형성률(SFR)은 얼마이며, 허브질량과 라이만-알파 광도에 대한 기대치와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 비대칭적인 복사전달과 은하주변매질 내 수소 기체 덩어리들의 비균일 분포가 관측된 라이만-알파 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 DLA와 라이만-브레이크 은하(LBGs) 및 라이만-알파 방출체(LAEs)와 같은 고조도 대표군 간의 물리적 연결 고리는 무엇인가?

주요 결과

• 활성은하핵의 선형 시야에서 28 h₇₀⁻¹ kpc 떨어진 거리에서 연장된 라이만-알파 방출이 검출되었으며, 이는 공간적으로 분리된 DLA 주변 은하계를 시사한다.
• 라이만-알파 방출선은 비대칭적이고 적색편이되어 있으며, 적색편이 z_em = 3.115 ± 0.003으로 측정되었으며, 이는 z_abs = 3.1150에서의 DLA 흡수선과 정확히 일치한다.
• 라이만-알파 광도는 L_Lyα = 1.07×10⁴² erg s⁻¹로 측정되었으며, 이는 별 형성률 0.97 M⊙ yr⁻¹에 해당한다.
• 관측된 라이만-알파 방출은 공간적으로 연장되어 있으며 활성은하핵 쪽으로 한쪽 방향으로 확장되어 있어, 덩어리지고 유출하는 은하주변매질(CGM)을 통한 비대칭 복사전달을 시사한다.
• DLA 주변 은하계의 추정 허브질량은 약 ~2.2×10¹⁰ M⊙이며, 냉각 복사가 아닌 별 형성에 의한 라이만-알파 방출과 일치한다.
• 형태는 전통적인 이중성 바람 또는 냉각 복사보다는 은하 유출과 덩어리진 수소 기체 분포를 포함하는 모델에 의해 가장 잘 설명된다.